CN102109668A - 视觉显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种视觉显示装置，通过用双眼观察能见度与集合大致一致的图像，从而能抑制观察者的疲劳。作为解决手段，本发明的视觉显示装置的特征在于，按照从眼点(4)至2维显示面(3)的反向追踪的光路顺序，将第1反射面(11)配置为与眼点(4)相对，将第2反射面(21)配置为与2维显示面(3)相对，并且配置成将第1反射面(11)和眼点(4)相连接的光轴与将第2反射面(21)和2维图像显示面(3)相连接的光轴交叉，第1反射面(11)和第2反射面(21)都具有正屈光力，基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置的可见度之差(S)大致一致。

Description

视觉显示装置

技术领域

本发明涉及能通过双眼进行观察的视觉显示装置。

背景技术

关于视觉显示装置例如已知专利文献1～专利文献4中的技术。

专利文献1记载的视觉显示装置采用如下配置，即第1反射面与2维图像显示元件相对，第2反射面与眼点相对，并且将第1反射面和2维图像显示元件连接的光轴与将第2反射面和眼点连接的光轴交叉。本视觉显示装置通过采用这种配置，从而整体尺寸变得紧凑，目镜光学系统内的光亮降低度小，而且能在宽的视场角内对像差进行良好校正。

另外，根据专利文献2、3公开了如下的视觉显示装置，使具有特定形状的2个反射面彼此相对，从一个方向观察配置于另一方向的物体，从而能观察真实的物体虚像。

另外，专利文献4公开了通过将2个凹面镜相对于物体配置于特定位置，从而相对于观察者在空间上形成物体的3维像的视觉显示装置以及能把3维像与通过录像带放映出的视频合成的视觉显示装置。

【专利文献】

【专利文献1】日本专利第3486465号公报

【专利文献2】日本专利第3092162号公报

【专利文献3】美国专利第4802750号说明书

【专利文献4】美国专利第5311357号说明书

在专利文献1～专利文献4所述的视觉显示装置中，没有详细提及双眼观察时的问题点。在专利文献1所述的视觉显示装置中，仅公开了尝试双眼观察时，通过在单只眼上配置由显示元件和目镜光学系统构成的一组显示单元，使用2组这样的显示单元来进行观察的内容，没有任何有关双眼观察时产生的问题点的内容。

另外，专利文献2是将装置内的多个显示面投影于装置外的不同空间的光学系统。专利文献3、专利文献4也涉及将装置内的显示面和物体投影于装置外与观察者之间的空间的光学系统，没有任何关于双眼观察时的问题点的特别描述。

发明内容

本发明是鉴于现有技术中通过双眼进行观察的视觉显示装置的问题点而完成的，其目的在于提供一种通过1个2维图像显示面在能通过双眼观察的远方显示虚像，使虚像的可见度与双眼观察时的集合大致一致，从而能抑制观察者的眼部疲劳的视觉显示装置。

为了达成上述目的，本发明的视觉显示装置由显示观察像的1个2维图像显示面和形成用于把上述观察像引导至观察者的双眼的2个眼点的目镜光学系统构成，其特征在于，上述目镜光学系统至少包括具有第1反射面的第1光学元件和具有第2反射面的第2光学元件，该视觉显示装置被配置成，按照从上述眼点至2维显示面的反向追踪的光路顺序，上述第1反射面与上述眼点相对，并且该视觉显示装置被配置成，上述第2反射面与上述2维图像显示面相对，并且将上述第1反射面和上述眼点相连接的光轴与将上述第2反射面和上述2维图像显示面相连接的光轴交叉，上述第1反射面和上述第2反射面都具有正的屈光力，基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置的可见度之差S(m^-1)大致一致。

说明一下该构成的作用。通常的方法是使用具有正屈光力的大型透射透镜或菲涅耳透镜来放大较小的显示面来进行观察，而在通过直线来确保光路长度的情况下，存在装置在纵深方向变得大型的问题。虽然采用偏心光路使光路弯折也能实现小型化，然而这种情况下观察者与显示面会产生干涉而使偏心角度变大，产生较大的偏心像差，无法观察到较宽的眼点和高精度的视频。

以往存在在双眼分别配置目镜光学系统和显示元件来提供观察像的所谓HMD(Head Mount Display，头戴显示器)那样的视觉显示装置，而在这种提供能通过双眼观察的像的视觉显示装置中，在采取偏心光路的情况下无法忽视目镜光学系统的偏心像差。

在通过双眼进行观察的本发明这样的光学系统的情况下，由于人类的瞳距为55～66mm，因此使满足这种条件的宽眼点不存在像差是不可能的，会产生某种程度的像差。由于在两个眼点之间发生这样的像差，因此产生基于幅楱的虚像位置。另一方面，观察视频的瞳孔直径大约为4mm，像差导致的像的恶化较少，基于可见度的虚像位置的变化也较少，因而会产生基于可见度与基于集合的虚像位置的差异。这种基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置的差异就成为观察图像的观察者眼部疲劳的原因。

本发明使用2面的反射面并采用交叉光路，而且构成为2个反射面都为具有正屈光力的反射面，从而既能实现装置小型化，又能避免显示面与观察者的干扰，能通过较宽的眼点提供广角且高精度的观察像，在这种视觉显示装置中，通过使基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置大致一致，从而能提供对于观察者而言眼部疲劳较少的观察像。

更为优选的是，基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置的可见度之差S(m^-1)满足如下条件式(1)：-0.5≤S≤0.5...(1)。

说明一下该构成的作用。通过使基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置的可见度之差S(m^-1)的上限为0.5m^-1、下限为-0.5m^-1，从而能进一步抑制观察者的眼部疲劳。

更为优选的是，基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置的可见度之差S(m^-1)满足如下条件式(2)：-0.2≤S≤0.2...(2)。

说明一下该构成的作用。通过使基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置的可见度之差S(m^-1)的上限为0.2m^-1、下限为-0.2m^-1，从而能更为有效地抑制观察者的眼部疲劳。

更为优选的是，上述第1反射面、上述第2反射面中的至少1个面是自由曲面。

说明一下该构成的作用。通过使上述第1反射面、上述第2反射面中的至少1个面为自由曲面，从而能校正在画面上下方向非对称地产生的偏心像差，有效抑制基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置的可见度之差S。

还优选上述第1反射面、上述第2反射面中的至少1个面的形状为，随着上述第1反射面与上述第2反射面的距离变短，连接上述2个眼点的方向的曲率变缓和。

说明一下该构成的作用。在使具有正屈光力的第1反射面与第2反射面相对的情况下，随着第1反射面与第2反射面的距离变短，共轭距离也变短，这种共轭距离之差就成为像面弯曲的原因。在本构成中第1反射面、第2反射面中的至少1个面采用随着第1反射面与第2反射面的距离变短、连接2个眼点的方向(X方向)的曲率变缓和的形状，从而能减弱第1反射面与第2反射面的距离较短部位处的屈光力，能抑制像面弯曲的产生。

另外，通过采取这种形状，从而基于集合的虚像位置在观察画面上下方是不同的，即使基于可见度的虚像位置在画面上下方存在一定距离，也能解决由于基于集合的虚像位置上下不对称地变化而使得通过双眼观察时会观察到显示面倾斜的问题。

更为优选的是使上述第1反射面的自由曲面具有X²Y项，从而随着第1反射面与第2反射面的距离变短，连接2个眼点的方向(X方向)的曲率有效地变缓和。对自由曲面的定义式适当赋予X²Y项，从而能易于校正基于集合的观察虚像面的倾斜。

另外特征还在于，当按照从上述眼点至上述2维图像显示面的光路顺序设上述第1光学元件的焦距为F1、上述第2光学元件的焦距为F2时，满足如下条件式(3)：0.1＜|F1/F2|＜2...(3)。

说明一下该构成的作用。即使超过了上述条件式的下限，或即使超过了上限，则1个光学元件也会具有极端屈光力。这种屈光力的偏颇会增大光学系统整体的偏心像差，基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置会不同。在本构成之中，通过考虑到第1光学元件与第2光学元件的屈光力的平衡，从而能抑制偏心像差的产生。

特征还在于第1反射面、第2反射面之中的至少1个面为复曲面。尤其优选为了校正较多产生的像散而利用复曲面构成在从眼点至显示面的光路上邻近眼点的第1反射面。通过采用复曲面能改变Y-Z剖面与X-Z剖面的曲率，能校正像散。而且还能既抑制像散的产生也能有效校正基于集合的虚像位置。

更为优选的是，使第1反射面与第2反射面都为复曲面。通过使两个面都为复曲面，能更好地校正像散的产生。

进而，在本发明中，通过投影光学系统放大投影小型显示元件也能形成2维图像显示面。通过在摄影像附近配置具有扩散性的扩散面，能使得投影光学系统的光束直径变细，在减少投影光学系统的负担的同时，可确保即使观察者略有动作也能观察到观察视频的较宽的观察区域。

进而，当配置与左右眼球对应的2个投影光学系统，将2个投影光学系统的投影像投影于扩散面的同时，控制扩散面的扩散角以不引起2个视频的交调失真来观察立体像。另外，使用偏光板和偏光眼镜，或者使用液晶快门眼镜的分时显示也能进行双眼立体观察。进而，通过使与眼点相对的第1光学元件为半透射面，从而还能构成为重叠显示外部视频与电子像的所谓合成器。

如上，根据本发明能通过可使用双眼观察可见度与集合大致一致的图像的视觉显示装置来抑制观察者的眼部疲劳。

附图说明

图1是包含本发明实施例1的光学系统的中心光线的Y-Z剖面图和光线的投影图。

图2是包含本发明实施例1的光学系统的中心光线的X-Z剖面图和光线的投影图。

图3是表示本发明实施例1的光学系统整体的横像差图的图。

图4是包含本发明实施例2的光学系统的中心光线的Y-Z剖面图和光线的投影图。

图5是包含本发明实施例2的光学系统的中心光线的X-Z剖面图和光线的投影图。

图6是表示本发明实施例2的光学系统整体的横像差图的图。

图7是包含本发明实施例3的光学系统的中心光线的Y-Z剖面图和光线的投影图。

图8是包含本发明实施例3的光学系统的中心光线的X-Z剖面图和光线的投影图。

图9是表示本发明实施例3的光学系统整体的横像差图的图。

图10是包含本发明实施例4的光学系统的中心光线的Y-Z剖面图和光线的投影图。

图11是包含本发明实施例4的光学系统的中心光线的X-Z剖面图和光线的投影图。

图12是表示本发明实施例4的光学系统整体的横像差图的图。

图13是包含本发明实施例5的光学系统的中心光线的Y-Z剖面图和光线的投影图。

图14是包含本发明实施例5的光学系统的中心光线的X-Z剖面图和光线的投影图。

图15是表示本发明实施例5的光学系统整体的横像差图的图。

图16是表示本发明各实施例的相对于观察视场角的X方向的像偏移量的图。

符号说明

1第1光学元件；11第1反射面；2第2光学元件；21第2反射面；3像面(2维图像显示面)；4(R、L)光圈；41(R、L)光圈中心；10(R、L)中心光线。

具体实施方式

下面根据实施例1～实施例5说明本发明的视觉显示装置。并且在这些实施例中，设定所观察的虚像面(轨迹上为物体面)在2m远，但也可以任意设定。首先关于以下的数值实施例说明中使用的坐标系和偏心面进行说明。其中，以对实施例1进行说明的图1、图2为例进行说明，而对于其他实施例中的坐标系和偏心面也相同。

图1是包含实施例1的光学系统的中心光线的Y-Z剖面图和光线的投影图，图2是包含实施例1的光学系统的中心光线的X-Z剖面图和光线的投影图。如图2所示，设左右两个光圈中心41L和41R的中间点为原点O。本实施方式的光学系统配置成垂直于连接左右两个光圈中心41L、41R的直线、且关于包含原点O的平面A(Y-Z平面)对称。并且，在各实施例中，左右两个光圈41L、41R间的距离、即观察者双眼的眼距被设计为60mm。

图1示出包含右光圈中心41R且被平行于平面A的平面切断的剖面图以及光线在平行于该平面A的平面上的投影图。并且，本实施方式的光学系统关于平面A而对称配置，因而关于左光圈中心41L的剖面图、光线的投影图与图1相同。

在该剖面图中，从像面3(2维图像显示面)的中心放射的光具有在第2光学元件2的反射面21、第1光学元件1的反射面11被反射，射入光圈中心41R的光路。把该光路定义为中心光线10。如果延长图2所示的左右中心光线10R、10L，则这些中心光线10R、10L彼此交叉。在本实施方式之中，连接原点O与该交叉点的直线为Z轴。图1示出右方向具有该Z轴的正向的Y-Z平面和以从纸面近前侧朝背面侧的方向作为正方向的X轴。另外，图2示出右向具有Z轴正方向的X-Z平面和以从纸面背面侧朝近前侧的方向作为正方向的Y轴。

关于偏心面，对其赋予了该面的面顶位置(X轴方向、Y轴方向、Z轴方向分别为X、Y、Z，单位：mm)相对于光学系统的原点中心的偏心量以及分别以该面的中心轴(对于自由曲面而言是后述(a)式的Z轴)的X轴、Y轴、Z轴为中心的倾角(分别为α、β、γ，单位：°)。这种情况下，α和β的正表示相对于各轴正方向的逆时针旋转，γ的正表示相对于Z轴正方向的顺时针旋转。并且，面的中心轴的α、β、γ的旋转方式是使面的中心轴及其XYZ正交坐标系首先绕X轴逆时针旋转α，然后使该旋转后的面的中心轴绕新的坐标系的Y轴逆时针旋转β，并且使旋转了1次的坐标系也绕Y轴逆时针旋转β，接下来使该旋转了2次的面的中心轴绕新的坐标系的新坐标系的Z轴顺时针旋转γ。

另外，当构成各数值实施例的光学系统的光学作用面中特定的面和与其连续的面构成共轴光学系统的情况下，将被赋予面间隔。关于折射率、阿贝系数，标记出相对于d线(波长587.56nm)的数值。

并且，下述数据中的“e-00n(n为整数)”表示“×10^-n”。

参照图1～图3对实施例1说明其构成以及数值实施例。图1是包含实施例1的光学系统的中心光线的Y-Z剖面图和光线的投影图，图2是包含实施例1的光学系统的中心光线的X-Z剖面图和光线的投影图。在这些图中，描述了基于从光圈4朝向像面3(2维图像显示面)的逆光轨迹的光线。

如图1所示，本实施方式的视觉显示装置构成为包含显示图像的像面3(2维图像显示面)以及具有第1光学元件1和第2光学元件2的目镜光学系统。该目镜光学系统形成用于把显示于像面3上的观察像引导至观察者双眼的2个眼点(正好相当于光圈4)。

像面3能通过各种显示元件形成。作为形成该像面的显示元件，除了液晶显示元件那样通过像面3直接形成图像的部件之外，还能采用将像面用作屏幕的投影光学系统。采用投影光学系统的情况下，通过把具有扩散性的扩散面配置于投影像附近，从而能使得投影光学系统的光束直径变细，在减轻投影光学系统的负担的同时，即使观察者略有动作也能确保可观察到观察视频的较宽的观察区域。

进而，配置与左右眼球对应的2个投影光学系统，能将2个投影光学系统的投影像投影于扩散面，同时控制扩散面的扩散角以不会引起2个视频的交调失真来观察立体像。另外，使用偏光板和偏光眼镜，或者通过使用液晶快门眼镜的分时显示也能进行双眼立体观察。

第1光学元件1和第2光学元件2是背面分别具有第1反射面11、第2反射面21的(所谓“背面镜”)的光学元件。并且，通过使位于与眼点相对的一侧的第1光学元件1为半透射面，从而还能构成为重叠显示外部视频与电子像的所谓合成器。

形成于像面3(2维图像显示面)上的图像在第2光学元件2的第2反射面21、第1光学元件1的第1反射面11被反射，被引导至光圈4由观察者观察。本实施方式中，通过使基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置大致一致，从而能提供对于观察者而言眼部疲劳较少的观察像。对于这些基于可见度的虚像位置和基于集合的虚像位置以及这些它们的可见度之差，在所有实施例中进行统一说明。

图3表示实施例1的光学系统整体的横像差图。该横像差图中，左上所示角度表示(水平方向视场角、垂直方向视场角)，表示该视场角下的Y方向(子午方向)和X方向(弧矢方向)的横像差。并且，负的视场角对于水平方向视场角而言表示朝Y轴正方向向右旋转的角度，对于垂直方向视场角而言表示朝X轴正方向向右旋转的角度。

数值实施例1

单位  mm

视场角  35°  上下20°

入射瞳孔直径(反向追踪)  15.00

圆筒形面【1】

X方向曲率半径  -2000.00

Y方向曲率半径  ∞

偏心(1)

X  30.00  Y 0.00  Z  0.00

α 0.00  β 0.00  γ 0.00

偏心(2)

X  0.00  Y  0.00   Z  255.00

α 22.50 β 0.00  γ  0.00

偏心(3)

X  0.00  Y  0.00  Z  0.00

α 22.50 β 0.00  γ 0.00

偏心(4)

X  0.00   Y   -75.00 Z  180.00

α 67.50  β  0.00   γ 0.00

偏心(5)

X  0.00   Y  -80.00  Z  180.00

α 67.50  β 0.00    γ 0.00

偏心(6)

X   0.00   Y 78.98  Z  181.58

α  90.00 β 0.00   γ 0.00

参照图4～图6对实施例2说明其构成以及数值实施例。图4是包含实施例2的光学系统的中心光线的Y-Z剖面图和光线的投影图，图5是包含实施例2的光学系统的中心光线的X-Z剖面图和光线的投影图。在这些图中，描绘了基于从光圈4朝向像面3(2维图像显示面)的逆光轨迹的光线。

如图4所示，本实施方式的视觉显示装置构成为包含显示图像的像面3(2维图像显示面)以及具有第1光学元件1和第2光学元件2的目镜光学系统。该目镜光学系统形成用于把显示于像面3上的观察像引导至观察者双眼的2个眼点(正好相当于光圈4)。

像面3表示显示图像的面，如实施例1所说明的那样，能通过投影光学系统等各种显示元件来形成。

第1光学元件1和第2光学元件2是背面分别具有第1反射面11、第2反射面21的(所谓“背面镜”)的光学元件。在本实施方式中尤其采取了使各光学元件中的光射入一侧的形状(本实施方式中为使曲率半径为∞的平面形状)与光反射的一侧(反射面)的形状不同，从而抑制偏心像差的设计。并且，通过使位于与眼点相对一侧的第1光学元件1为半透射面，从而还能构成为重叠显示外部视频与电子像的所谓合成器。

形成于像面3(2维图像显示面)上的图像在第2光学元件2的第2反射面21、第1光学元件1的第1反射面11被反射，被引导至光圈4由观察者观察。本实施方式中，通过使基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置大致一致，从而能提供对于观察者而言眼部疲劳较少的观察像。对于这些基于可见度的虚像位置和基于集合的虚像位置以及它们的可见度之差，在所有实施例中进行统一说明。

图6表示实施例2的光学系统整体的横像差图。该横像差图中，左上所示角度表示(水平方向视场角、垂直方向视场角)，表示该视场角下的Y方向(子午方向)和X方向(弧矢方向)的横像差。并且，负的视场角对于水平方向视场角而言表示朝Y轴正方向向右旋转的角度，对于垂直方向视场角而言表示朝X轴正方向向右旋转的角度。

数值实施例2

单位  mm

视场角  35°  上下20°

入射瞳孔直径(反向追踪)  15.00

圆筒形面【1】

X方向曲率半径  -2000.00

Y方向曲率半径  ∞

偏心(1)

X  30.00 Y  0.00   Z  0.00

α 0.00  β 0.00  γ  0.00

偏心(2)

X  0.00  Y  0.00  Z  250.00

α 22.50 β 0.00  γ 0.00

偏心(3)

X  0.00  Y  0.00  Z  260.00

α 22.50 β 0.00 γ  0.00

偏心(4)

X  0.00  Y  -70.00 Z  180.00

α 67.50 β 0.00   γ 0.00

偏心(5)

X  0.00  Y  -80.00 Z  180.00

α 67.50 β 0.00   γ 0.00

偏心(6)

X  0.00  Y  78.98 Z  181.35

α 90.00 β 0.00  γ 0.00

参照图7～图9对实施例3说明其构成以及数值实施例。图7是包含实施例3的光学系统的中心光线的Y-Z剖面图和光线的投影图，图8是包含实施例3的光学系统的中心光线的X-Z剖面图和光线的投影图。在这些图中，描述出基于从光圈4朝向像面3(2维图像显示面)的逆光轨迹的光线。

如图7所示，本实施方式的视觉显示装置构成为包含显示图像的像面3(2维图像显示面)以及具有第1光学元件1和第2光学元件2的目镜光学系统。该目镜光学系统形成用于把显示于像面3的观察像引导至观察者双眼的2个眼点(正好相当于光圈4)。

像面3表示显示图像的面，如实施例1所说明的那样，能通过投影光学系统等各种显示元件来形成。

第1光学元件1和第2光学元件2是背面分别具有第1反射面11、第2反射面21的(所谓“背面镜”)的光学元件。在本实施方式中尤其采取了使各光学元件中的光射入一侧的形状(本实施方式中为使曲率半径为∞的平面形状)与光反射一侧(反射面)的形状不同，从而抑制偏心像差的设计。并且，通过使位于与眼点相对一侧的第1光学元件1为半透射面，从而还能构成为重叠显示外部视频与电子像的所谓合成器。

形成于像面3(2维图像显示面)的图像在第2光学元件2的第2反射面21、第1光学元件1的第1反射面11被反射，被引导至光圈4由观察者观察。本实施方式中，通过使基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置大致一致，从而能提供对于观察者而言眼部疲劳较少的观察像。对于这些基于可见度的虚像位置和基于集合的虚像位置以及它们的可见度之差，在所有实施例中进行统一说明。

图9表示实施例3的光学系统整体的横像差图。该横像差图中，左上所示角度表示(水平方向视场角、垂直方向视场角)，表示该视场角下的Y方向(子午方向)和X方向(弧矢方向)的横像差。并且，负的视场角对于水平方向视场角而言表示朝Y轴正方向向右旋转的角度，对于垂直方向视场角而言表示朝X轴正方向向右旋转的角度。

本实施方式中在第1反射面11、第2反射面21采用菲涅耳面。通过采用菲涅耳面，既能实现第1光学元件1、第2光学元件2的薄型化，又能使装置整体变小。

并且，对数值实施例中描述的菲涅耳面进行定义的k是对如下非球面进行定义的定义式中所示的圆锥常数。

Z＝(y²/R)/[1+(1-(1+k)y²/R²)^1/2]

+Ay⁴+By⁶+Cy⁸+Dy¹⁰+……

其中，R是近轴曲率半径，A、B、C、D分别是4次、6次、8次、10次的非球面系数，本实施方式的菲涅耳面中这些非球面系数都为0。

数值实施例3

单位  mm

视场角  35°  上下20°

入射瞳孔直径(反向追踪)  15.00

菲涅耳面【1】

曲率半径          -1152.59

k         0

菲涅耳面【2】

曲率半径  2813.34

k         0

圆筒形面【1】

X方向曲率半径  -2000.00

Y方向曲率半径  ∞

偏心(1)

X  30.00 Y  0.00  Z 0.00

α 0.00  β 0.00 γ 0.00

偏心(2)

X  0.00  Y  0.00  Z 255.00

α 22.50 β 0.00 γ 0.00

偏心(3)

X  0.00  Y  0.00  Z 260.00

α 22.50 β 0.00 γ 0.00

偏心(4)

X  0.00  Y  -75.00 Z 180.00

α 67.50 β 0.00  γ 0.00

偏心(5)

X  0.00  Y  -80.00 Z 180.00

α 67.50 β 0.00  γ 0.00

偏心(6)

X  0.00  Y  78.98  Z 180.80

α 90.00 β 0.00  γ 0.00

以上对实施例1～实施例3说明了其构成和数值实施例。这些实施例中，采用球面或菲涅耳面作为第1反射面11、第2反射面21的形状。在以下说明的实施例4、实施例5的特征在于采用自由曲面作为第1反射面11、第2反射面21的形状。通过采用自由曲面，能校正沿画面上下方向非对称地产生的偏心像差，能有效抑制基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置的可见度之差S。并且，不仅如这些实施例所示可对第1反射面11、第2反射面21这两个面采用自由曲面，还能对其中任一方采用自由曲面。并且，FFS所示的面表示该面为自由曲面。

本发明所使用的自由曲面可通过下式(a)来定义。并且，该定义式的Z轴为自由曲面的轴。

【式1】

$Z=(r^2/R)/[1+\sqrt{1-(1+k){(r/R)}^2}]+\underset{j=1}{\overset{66}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j{X}^m{Y}^n...\left(a\right)$

其中，(a)式的第1项是球面项，第2项起是自由曲面项。

球面项之中，

R：顶点的曲率半径

k：圆锥常数

自由曲面项为

【式2】

$\underset{j=1}{\overset{66}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j{X}^m{Y}^n$

$=C_1$

$+C_{2}X+C_{3}Y$

$+C_4{X}^2+C_5\mathrm{XY}+C_6{Y}^2$

$+C_7{X}^3+C_8{X}^{2}Y+C_{9}X{Y}^2+C_{10}{Y}^3$

$+C_{11}{X}^4+C_{12}{X}^{3}Y+C_{13}{X}^2{Y}^2+C_{14}{\mathrm{XY}}^3+C_{15}{Y}^4$

$+C_{16}{X}^5+C_{17}{X}^{4}Y+C_{18}{X}^3{Y}^2+C_{19}{X}^2{Y}^3+C_{20}X{Y}^4+C_{21}{Y}^5$

$+C_{22}{X}^6+C_{23}{X}^{5}Y+C_{24}{X}^4{Y}^2+C_{25}{X}^3{Y}^3+C_{26}{X}^2{Y}^4+C_{27}X{Y}^5+C_{28}{Y}^6$

$+C_{29}{X}^7+C_{30}{X}^{6}Y+C_{31}{X}^5{Y}^2+C_{32}{X}^4{Y}^3+C_{33}{X}^3{Y}^4+C_{34}{X}^2{Y}^5+C_{55}X{Y}^6+C_{36}{Y}^7$

其中，Cj(j是大于等于1的整数)为系数。

上述自由曲面通常不会在X-Z面、Y-Z面都具有对称面，本发明中使X的奇数次项全都为0，从而成为仅存在1个平行于Y-Z面的对称面的自由曲面。例如在上述定义式(a)中，能够使C2、C5、C7、C9、C12、C14、C16、C18、C20、C23、C25、C27、C29、C31、C33、C35...的各项的系数为0。

另外，通过使Y的奇数次项全都为0，从而成为仅存在1个平行于X-Z面的对称面的自由曲面。例如在上述定义式中，能够使C3、C5、C8、C10、C12、C14、C17、C19、C21、C23、C25、C27、C30、C32、C34、C36...的各项的系数为0。

另外，通过使上述对称面的方向中的任一方为对称面，设与之对应的方向的偏心、例如光学系统相对于平行于Y-Z面的对称面的偏心方向为Y轴方向，光学系统相对于平行于X-Z面的对称面的偏心方向为X轴方向，从而能有效校正因偏心而产生的旋转非对称的像差，同时还能提高制造性能。

另外，上述定义式(a)如上所述是作为1个例子示出的，本实施例的特征在于通过使用仅具有1个对称面的面对称自由曲面来校正因偏心而产生的旋转非对称像差，同时提升制造性能，对于其他任何定义式而言都能获得相同效果，这是无需多言的。并且，与没有记载数据的自由曲面有关的项为0。

参照图10～图12对实施例4说明其构成以及数值实施例。图10是包含实施例4的光学系统的中心光线的Y-Z剖面图和光线的投影图，图11是包含实施例2的光学系统的中心光线的X-Z剖面图和光线的投影图。在这些图中，描绘出基于从光圈4朝向像面3(2维图像显示面)的逆光轨迹的光线。

如图10所示，本实施方式的视觉显示装置构成为包含显示图像的像面3(2维图像显示面)以及具有第1光学元件1和第2光学元件2的目镜光学系统。该目镜光学系统形成用于把显示于像面3的观察像引导至观察者双眼的2个眼点(正好相当于光圈4)。

像面3表示显示图像的面，如实施例1所说明的那样，能通过投影光学系统等各种显示元件来形成。

第1光学元件1和第2光学元件2是背面分别具有第1反射面11、第2反射面21的(所谓“背面镜”)的光学元件。并且，通过使位于与眼点相对的一侧的第1光学元件1为半透射面，从而还能构成为重叠显示外部视频与电子像的所谓合成器。

形成于像面3(2维图像显示面)的图像在第2光学元件2的第2反射面21、第1光学元件1的第1反射面11被反射，被引导至光圈4由观察者观察。本实施方式中，通过使基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置大致一致，从而能提供对于观察者而言眼部疲劳较少的观察像。对于这些基于可见度的虚像位置和基于集合的虚像位置以及它们的可见度之差，在所有实施例中进行统一说明。

图12表示实施例4的光学系统整体的横像差图。该横像差图中，左上所示角度表示(水平方向视场角、垂直方向视场角)，表示该视场角下的Y方向(子午方向)和X方向(弧矢方向)的横像差。并且，负的视场角对于水平方向视场角而言表示朝Y轴正方向向右旋转的角度，对于垂直方向视场角而言表示朝X轴正方向向右旋转的角度。

数值实施例4

单位  mm

视场角  35°  上下20°

入射瞳孔直径(反向追踪)  15.00

圆筒形面【1】

X方向曲率半径  -2000.00

Y方向曲率半径  ∞

FFS【1】

C4  -5.5587e-004  C6  -5.6747e-004  C8   8.0445e-007

C10 -5.0324e-007  C11 -1.1264e-009  C13  -5.1668e-009

C15 -1.5244e-009  C68 1.0000e+000

FFS【2】

C4  7.0512e-004  C6   4.0881e-004   C8   2.3952e-006

C10 -5.9781e-007 C11  -1.7211e-010  C13  -2.5225e-009

C15 -2.7814e-009 C68  1.0000e+000

偏心(1)

X  30.00 Y  0.00  Z  0.00

α 0.00  β 0.00  γ 0.00

偏心(2)

X  0.00  Y  0.00  Z  255.00

α 22.50 β 0.00  γ 0.00

偏心(3)

X  0.00  Y  0.00  Z  260.00

α 22.50 β 0.00  γ 0.00

偏心(4)

X  0.00  Y  -75.00 Z  180.00

α 67.50 β 0.00  γ  0.00

偏心(5)

X  0.00  Y  -80.00 Z  180.00

α  67.50  β  0.00  γ  0.00

偏心(6)

X   0.00   Y  78.98  Z  181.37

α  90.00  β 0.00   γ 0.00

参照图13～图15对实施例5说明其构成以及数值实施例。图13是包含实施例5的光学系统的中心光线的Y-Z剖面图，图14是包含实施例5的光学系统的中心光线的X-Z剖面图和光线的投影图。在这些图中，描绘了基于从光圈4朝向像面3(2维图像显示面)的逆光轨迹的光线。

如图13所示，本实施方式的视觉显示装置构成为包含显示图像的像面3(2维图像显示面)以及具有第1光学元件1和第2光学元件2的目镜光学系统。该目镜光学系统形成用于把显示于像面3的观察像引导至观察者双眼的2个眼点(正好相当于光圈4)。

像面3表示显示图像的面，如实施例1所说明的那样，能通过投影光学系统等各种显示元件来形成。

第1光学元件1和第2光学元件2是背面分别具有第1反射面11、第2反射面21的(所谓“背面镜”)的光学元件。并且，通过使位于与眼点相对的一侧的第1光学元件1为半透射面，从而还能构成为重叠显示外部视频与电子像的所谓合成器。

形成于像面3(2维图像显示面)的图像在第2光学元件2的第2反射面21、第1光学元件1的第1反射面11被反射，被引导至光圈4由观察者观察。本实施方式中，通过使基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置大致一致，从而能提供对于观察者而言眼部疲劳较少的观察像。对于这些基于可见度的虚像位置和基于集合的虚像位置以及它们的可见度之差，在所有实施例中进行统一说明。

图15表示实施例5的光学系统整体的横像差图。该横像差图中，左上所示角度表示(水平方向视场角、垂直方向视场角)，表示该视场角下的Y方向(子午方向)和X方向(弧矢方向)的横像差。并且，负的视场角对于水平方向视场角而言表示朝Y轴正方向向右旋转的角度，对于垂直方向视场角而言表示朝X轴正方向向右旋转的角度。

数值实施例5

单位  mm

视场角  35°  上下20°

入射瞳孔直径(反向追踪)  15.00

圆筒形面【1】

X方向曲率半径  -2000.00

Y方向曲率半径  ∞

FFS【1】

C4  -5.4853e-004  C6  -6.1811e-004  C8   7.7508e-007

C10 -4.2317e-007  C11 -1.1524e-009  C13  -4.6044e-009

C15 -7.7566e-010  C68 1.0000e+000

FFS【2】

C4  7.0817e-004   C6   2.9023e-004   C8   2.3776e-006

C10 -7.1659e-007  C11  -4.6255e-011  C13  -1.3687e-009

C15  -1.7104e-009  C68  1.0000e+000

偏心(1)

X  30.00  Y  0.00  Z  0.00

α 0.00   β 0.00  γ 0.00

偏心(2)

X  0.00   Y  0.00  Z  255.00

α 22.50  β 0.00  γ 0.00

偏心(3)

X  0.00   Y  0.00  Z  260.00

α 22.50  β 0.00  γ 0.00

偏心(4)

X  0.00   Y  -75.00 Z  180.00

α 67.50  β 0.00   γ 0.00

偏心(5)

X  0.00   Y -80.00  Z  180.00

α 67.50  β0.00    γ 0.00

偏心(6)

X  0.00   Y  78.98  Z  181.36

α 90.00  β 0.00   γ 0.00

以上对实施例1～实施例5说明了其构成以及数值实施例，下面示出各实施例中基于集合的虚像位置(单位：mm)、基于可见度的虚像位置(单位：mm)以及它们的可见度之差(集合、可见度、各虚像位置的倒数之差)。使可见度之差S(单位：m^-1)的绝对值小于等于0.5，从而能在某种程度上抑制观察者的眼部疲劳。优选通过采用本实施方式所示构成，将可见度之差S的绝对值抑制为小于等于0.2，从而能更为良好地抑制观察者的眼部疲劳。更为优选的是如实施例4、实施例5所示那样对第1反射面11、第2反射面21采用自由曲面，从而将可见度之差S的绝对值抑制为小于等于0.1，从而能期待获得更好的效果。

图16是表示实施例1～实施例5的各实施例中相对于观察视场角(单位：deg)的X方向的像偏移量(mm)的图。从该图也可知在采用自由曲面的实施例4、实施例5中能将像偏移量抑制得较小。

                实施例1     实施例2    实施例3    实施例4     实施例5

基于集合的位置  1544        1477       1449       2024        1960

基于可见度的位置2000        2000       2000       2000        2000

可见度之差S     0.148       0.177      0.190      -0.00593    0.0102

另外，以下关于X方向、Y方向分别表示出第1光学元件1的焦距F1与第2光学元件2的焦距F2之比的绝对值。本实施方式中，将该绝对值收敛为下限为0.1，上限为2的范围内，从而能考虑到第1光学元件1与第2光学元件2的屈光力平衡，抑制偏心像差的产生。并且，仅在采用自由曲面的实施例4、实施例5中存在|F1X/F2X|的值。

             实施例1    实施例2   实施例3  实施例4   实施例5

|F1X/F2X|                                  1.274     1.300

|F1Y/F2Y|    0.784      0.441     0.410    0.711     0.454

并且，虽然在实施例中没有举例，然而也可以对第1反射面11、第2反射面12中的至少1个面采用复曲面。尤其为了校正较多产生的像散，而利用复曲面构成在从眼点至显示面的光路上邻近眼点的第1反射面11，从而能够改变Y-Z剖面与X-Z剖面的曲率，能校正像散。而且还能既抑制像散的产生也能有效校正基于集合的虚像位置。

以上说明了本发明的各种实施方式，而本发明不仅限于这些实施方式，对各个实施方式的构成适当组合而构成的实施方式也属于本发明的范畴。

Claims (6)

1.一种视觉显示装置，其由显示观察像的1个2维图像显示面和目镜光学系统构成，该目镜光学系统形成用于把上述观察像引导至观察者的双眼的2个眼点，其特征在于，

上述目镜光学系统至少包括具有第1反射面的第1光学元件和具有第2反射面的第2光学元件，

该视觉显示装置被配置成，按照从上述眼点至2维显示面的光路的反向追踪的顺序，上述第1反射面与上述眼点相对，

该视觉显示装置被配置成，上述第2反射面与上述2维图像显示面相对，并且将上述第1反射面和上述眼点相连接的光轴与将上述第2反射面和上述2维图像显示面相连接的光轴交叉，

上述第1反射面和上述第2反射面都具有正的屈光力，

基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置的可见度之差S(m^-1)大致一致。

2.根据权利要求1所述的视觉显示装置，其特征在于，基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置的可见度之差S(m^-1)满足如下条件式

(1)：

-0.5≤S≤0.5...(1)。

3.根据权利要求1所述的视觉显示装置，其特征在于，基于可见度的虚像位置与基于集合的虚像位置的可见度之差S(m^-1)满足如下条件式(2)：

-0.2≤S≤0.2...(2)。

4.根据权利要求1所述的视觉显示装置，其特征在于，上述第1反射面、上述第2反射面中的至少1个面是自由曲面。

5.根据权利要求4所述的视觉显示装置，其特征在于，上述第1反射面、上述第2反射面中的至少1个面的形状为，随着上述第1反射面与上述第2反射面的距离变短，连接上述2个眼点的方向的曲率变缓和。

6.根据权利要求1所述的视觉显示装置，其特征在于，当按照从上述眼点至上述2维图像显示面的光路顺序设上述第1光学元件的焦距为F1、上述第2光学元件的焦距为F2时，满足如下条件式(3)：

0.1＜|F1/F2|＜2...(3)。

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